一種水面無人艇航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制方法

韓佩妤，韓 瑋，梁 旭

（中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100194）

1 引 言

水面無人艇是一種無人操作的水面艦艇，能夠自主規(guī)劃、自主航行，并且可以采用自主方式或人工干預(yù)方式完成環(huán)境感知、目標(biāo)探測等各項任務(wù)的小型水面艦艇，主要用于執(zhí)行危險及不適合有人船只執(zhí)行的任務(wù)。水面無人艇一旦配備先進的控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和任務(wù)系統(tǒng)后，可執(zhí)行多種任務(wù)，且具有高航速、大航程、淺吃水、多功能、機動性強、搭載方便、自主操控等突出優(yōu)點［1］，無論是在情報偵察和戰(zhàn)場監(jiān)視等軍事領(lǐng)域，還是在海洋探測、調(diào)查取證、貨物運輸?shù)让裼妙I(lǐng)域，都有十分廣闊的應(yīng)用前景。

直到20世紀(jì)90年代，關(guān)于水面無人艇的研究項目才大量出現(xiàn)。美國、以色列、英國、法國和德國等國已將水面無人艇作為重要軍事項目進行研究和開發(fā)［2］，其中最具代表性的是美國的斯巴達偵察兵（Spartan Scout）和以色列的保護者等。美國通用動力公司研制的斯巴達偵察兵水面無人艇擬作為一種擴展的傳感器和武器平臺，執(zhí)行偵察、搜索和情報任務(wù)、精確打擊任務(wù)和淺海海域水下作戰(zhàn)任務(wù)等，以支持美軍聯(lián)合特遣部隊、航母打擊編隊、兩棲部隊和海上補給作戰(zhàn)任務(wù)。以色列主要發(fā)展執(zhí)行情報偵察和戰(zhàn)場監(jiān)視、警戒巡邏、反水雷、火力打擊等任務(wù)的水面無人艇，以保護其港口及海上設(shè)施安全［3］，以色列水面無人艇的共同特點是充分借鑒無人機技術(shù)。目前，國外主要的水面無人艇都具備多任務(wù)的特點，可以通過搭載不同的任務(wù)載荷，實現(xiàn)戰(zhàn)場監(jiān)視、警戒巡邏、反水雷、火力打擊等任務(wù)，并具有一定的自主控制能力。

圖1 美國斯巴達偵察兵無人艇

圖2 以色列保護者無人艇

國外無人裝備正致力于動力控制系統(tǒng)與任務(wù)系統(tǒng)的復(fù)合控制研究［4］。美國等西方國家正大力研究無人作戰(zhàn)飛機飛行控制系統(tǒng)和火力控制系統(tǒng)的耦合，將任務(wù)、飛行、作戰(zhàn)三方面進行綜合并提高綜合化、自動化、智能化水平以構(gòu)成全自動攻擊系統(tǒng)。無人作戰(zhàn)飛機激光制導(dǎo)武器自動攻擊技術(shù)，基于火力/飛行耦合控制器把火力指揮與控制系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)綜合成一個閉環(huán)武器自動攻擊系統(tǒng)，用火控系統(tǒng)輸出的瞄準(zhǔn)誤差，自動操縱飛機的飛行系統(tǒng)。該技術(shù)將傳感、跟蹤設(shè)備獲得的信息處理后得到目標(biāo)位置、速度、加速度的精確估值作為火力控制的輸入，火力控制系統(tǒng)解算出俯仰偏差、方位偏差和相對距離等信息，由智能耦合控制器經(jīng)綜合計算后，產(chǎn)生可由飛行控制系統(tǒng)接收的俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航指令分配到飛行控制系統(tǒng)的各個通道中，以便控制飛機實現(xiàn)快速瞄準(zhǔn)和精確打擊。另外，國外的無人車等無人裝備也在開展類似的研究。

國內(nèi)在無人機等無人裝備領(lǐng)域已經(jīng)開展了動力控制系統(tǒng)與任務(wù)系統(tǒng)的復(fù)合控制相關(guān)研究［5，6］，并取得了一定進展。在水面無人艇領(lǐng)域，航行自主控制方面已經(jīng)有一定的技術(shù)積累和發(fā)展；但在任務(wù)執(zhí)行方面，只能在人工指揮下按照預(yù)先規(guī)劃的航路和步驟進行，尚未開展針對任務(wù)的航行與任務(wù)復(fù)合控制的相關(guān)研究。

2 水面無人艇的自動化與智能化發(fā)展趨勢

智能化和自動化已經(jīng)成為水面無人艇的發(fā)展趨勢之一［7］。水面無人艇及其搭載的任務(wù)載荷的智能控制將帶來性能的進一步提升。

水面無人艇的控制包括航行控制和任務(wù)控制。航行控制按照設(shè)定的航路對艇平臺及動力系統(tǒng)進行控制，并通過分析導(dǎo)航設(shè)備、航行探測設(shè)備采集的信息等實施避障。任務(wù)控制按照任務(wù)執(zhí)行要求進行目標(biāo)探測、目標(biāo)信息計算處理，并對目標(biāo)進行相關(guān)操作。通常在執(zhí)行任務(wù)時，需要同時進行航行控制和任務(wù)控制，使水面無人艇航行狀態(tài)與任務(wù)載荷執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)相適應(yīng)，該過程依賴于對當(dāng)前態(tài)勢精準(zhǔn)靈活的判斷及指揮控制。在水面無人艇航行與任務(wù)相互獨立控制時，無人艇航速、艏向等航行狀態(tài)會影響任務(wù)載荷的使用，為保證任務(wù)的正常進行，需要對無人艇實施有效的航行控制來保障任務(wù)載荷的使用條件。如果航行控制與任務(wù)控制相互獨立，則只能依賴指揮員完成態(tài)勢判斷和指揮。

基于無人駕駛的特性，水面無人艇可以放寬航行品質(zhì)的限制和要求，只根據(jù)任務(wù)執(zhí)行的要求，最大限度地追求控制效率。但是因為艇上沒有駕駛員和指揮員，使得水面無人艇的航行必須依靠自動航路規(guī)劃及控制，或者依靠無線通信進行的遠(yuǎn)程指揮，任務(wù)控制必須在水面無人艇當(dāng)前航行姿態(tài)下進行。無線通信帶寬有限，數(shù)據(jù)傳輸面臨的干擾大，準(zhǔn)確率低于有線傳輸，傳輸過程中的數(shù)據(jù)安全性也更難保證。指揮員判斷指揮需要的數(shù)據(jù)量大，對數(shù)據(jù)實時性要求高，且對無線通信的要求極高，這一要求很難實現(xiàn)。這種指揮方式下，航行控制部分與任務(wù)控制部分信息交互很少，大量信息匯集到控制中心，由遠(yuǎn)程指揮的指揮員進行協(xié)調(diào)控制。此外，由于固有的生理因素限制，如估算精度、動作準(zhǔn)確性、反應(yīng)時間等，指揮員并不能充分利用水面無人艇及任務(wù)載荷的全部能力，較難實現(xiàn)機動靈活的航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制。

將航行控制與任務(wù)控制進行有機結(jié)合，進行航行及任務(wù)復(fù)合控制，就可自主進行態(tài)勢判斷和決策，能夠有效避免無線通信和遠(yuǎn)程指揮的不足，提高任務(wù)執(zhí)行質(zhì)量，縮短決策時間，降低指揮員的工作負(fù)擔(dān)，提升水面無人艇自主控制的智能化和自動化水平。

3 水面無人艇航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制方法

3.1 基本原理

水面無人艇航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制方法，將互不干涉的水面無人艇任務(wù)控制和航行控制有機結(jié)合，將基于外部海洋環(huán)境和障礙物信息進行避障等航行控制的控制模式，轉(zhuǎn)變?yōu)椴粌H基于海洋環(huán)境和障礙物信息，同時也基于目標(biāo)信息和任務(wù)背景，以任務(wù)執(zhí)行為制導(dǎo)，進行水面無人艇航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制的模式。航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制原理如圖3所示。

圖3 航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制原理示意圖

3.2 航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制信息連接關(guān)系

根據(jù)航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制流程，以及各控制單元之間的反饋關(guān)系，分析各控制單元與航行載荷、任務(wù)載荷之間的信息連接關(guān)系［8］，如圖4所示。

水面無人艇動力裝置將水面無人艇姿態(tài)信息發(fā)送到航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制單元與任務(wù)控制單元。航行控制單元根據(jù)障礙物探測設(shè)備發(fā)送的障礙物位置，將舵角和發(fā)動機轉(zhuǎn)速發(fā)送到水面無人艇動力裝置，控制水面無人艇實施避障。任務(wù)控制單元接收目標(biāo)探測設(shè)備發(fā)送的目標(biāo)位置、目標(biāo)速度、目標(biāo)方向、目標(biāo)大小等信息，并可對多個目標(biāo)探測設(shè)備發(fā)送的目標(biāo)信息進行信息融合，形成水面無人艇對外部環(huán)境的綜合態(tài)勢感知。水面無人艇根據(jù)環(huán)境態(tài)勢感知發(fā)送執(zhí)行動作命令，由任務(wù)執(zhí)行設(shè)備對機動目標(biāo)實施動作。航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制單元根據(jù)任務(wù)控制單元反饋的任務(wù)執(zhí)行設(shè)備指向偏差和航行控制單元反饋的避障信息，綜合分析當(dāng)前的任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)和航行狀態(tài)，輸出任務(wù)控制命令和航行控制命令。

根據(jù)任務(wù)載荷運行原理，分析各任務(wù)載荷能夠有效執(zhí)行任務(wù)的區(qū)域范圍，構(gòu)建任務(wù)有效區(qū)模型。任務(wù)載荷應(yīng)當(dāng)包括目標(biāo)探測設(shè)備、任務(wù)執(zhí)行設(shè)備等，應(yīng)當(dāng)構(gòu)建目標(biāo)探測設(shè)備有效工作區(qū)模型，以及任務(wù)執(zhí)行設(shè)備有效工作區(qū)模型。

在構(gòu)建任務(wù)有效區(qū)模型的同時，依據(jù)水面無人艇艇體基本參數(shù)、推進系統(tǒng)性能、任務(wù)載荷搭載能力等，分析水面無人艇極限機動能力范圍，構(gòu)建航控有效區(qū)模型。

3.3 航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制單元

將每個航行及任務(wù)控制目標(biāo)實現(xiàn)過程分解為多個任務(wù)控制與航行控制的組合，并分析各控制單元之間的控制與制約關(guān)系，構(gòu)建航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制單元。航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制單元原理如圖5所示。

航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制單元根據(jù)當(dāng)前任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)和航行狀態(tài)，判斷是否可以通過調(diào)整航行狀態(tài)來配合任務(wù)執(zhí)行。當(dāng)需要通過調(diào)整航行狀態(tài)來配合任務(wù)執(zhí)行時，根據(jù)任務(wù)執(zhí)行要求設(shè)定參考航路，并不斷修正，由智能耦合控制單元將航行控制所需的航速、航向等輸出到航行控制單元，同時航行控制單元也可向智能耦合控制單元反饋避障信息等限制航行控制的條件。

圖4 航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制信息連接關(guān)系圖

圖5 航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制單元原理圖

當(dāng)需要通過調(diào)整任務(wù)控制狀態(tài)來直接實現(xiàn)任務(wù)執(zhí)行時，先設(shè)定任務(wù)載荷參考指向，并不斷修正，由智能耦合控制單元將任務(wù)控制所需的任務(wù)載荷修正角度等輸出到任務(wù)控制單元，同時任務(wù)控制單元也可向智能耦合控制單元進行反饋。當(dāng)任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)受到航行狀態(tài)變化等因素干擾時，為了保證任務(wù)的順利執(zhí)行，智能耦合控制單元也可以迅速制定航行及任務(wù)控制策略，通過改變航行狀態(tài)或是任務(wù)載荷狀態(tài)，進行航行及任務(wù)自適應(yīng)控制。

智能耦合控制單元作為航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制的聯(lián)結(jié)，在水面無人艇原來的航行控制單元和任務(wù)控制單元未作改動的情況下，只根據(jù)任務(wù)執(zhí)行的需要，輸出需要調(diào)整的航速、航向等航行控制參數(shù)，以及任務(wù)載荷的指向修正角度等參數(shù)，分別輸入到航行控制單元和任務(wù)控制單元，由航行控制單元和任務(wù)控制單元分別對航行狀態(tài)和任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)進行實時修正。

3.4 智能耦合控制單元

智能耦合控制單元是航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制單元的核心，可根據(jù)水面無人艇當(dāng)前的航行軌跡和任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)，結(jié)合任務(wù)執(zhí)行目標(biāo)、當(dāng)前海況、綜合態(tài)勢等因素，進行綜合分析，做出決策，將該決策結(jié)果分解為任務(wù)控制目標(biāo)和航行控制目標(biāo)，進而分別將航行控制目標(biāo)轉(zhuǎn)化為航速、航向輸入到航行控制單元，將任務(wù)控制目標(biāo)轉(zhuǎn)化為任務(wù)執(zhí)行設(shè)備的指向修正角度輸入到任務(wù)控制單元。

智能耦合控制單元制定的航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制策略是水面無人艇任務(wù)執(zhí)行質(zhì)量的關(guān)鍵因素。為了不斷提高智能耦合控制單元制定決策的能力，應(yīng)當(dāng)使其具有機器學(xué)習(xí)能力［9］，可根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)等智能化機器學(xué)習(xí)模型，設(shè)計適用于智能耦合控制單元的機器學(xué)習(xí)模型［10］。通過任務(wù)執(zhí)行，對該模型進行訓(xùn)練，實現(xiàn)航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制策略的持續(xù)優(yōu)化。

航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制策略的優(yōu)化過程需要結(jié)束判定條件，當(dāng)有多種控制策略時，也需要最優(yōu)策略判定標(biāo)準(zhǔn)。通過建立控制策略判定規(guī)則庫，構(gòu)建控制策略智能判定模型，確定控制策略的選取和判定標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制單元是水面無人艇航行及任務(wù)載荷復(fù)合控制的核心，是聯(lián)系任務(wù)控制與航行控制的樞紐。它用任務(wù)控制輸出的指向誤差，自動進行航行控制，提高任務(wù)控制的精度，將原本分離的任務(wù)控制與航行控制有機地結(jié)合在一起，組成了一個閉環(huán)航行及任務(wù)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)復(fù)合控制。智能耦合控制單元的好壞與智能化程度都直接影響任務(wù)執(zhí)行的質(zhì)量。